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实例详解S7-200SMART与PID的应用

一、PID回路控制概述

PID控制器是应用最广泛的闭环控制器，它根据给定值与被控实

测值之间的偏差；按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机

构进行调节，使被控量跟随给定量变化，并使系统达到稳定；自动消

除各种干扰对控制过程的影响。其中PID分别表示比例、积分和微分

S7-200SMART中PID功能实现方式有以下三种：

PID指令块：通过一个PID回路表交换数据，只接受0.0-1.0之

间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数

值。

PID向导：方便地完成输入/输出信号转换/标准化处理。PID指令

同时会被自动调用。

根据PID算法自己编程

S7-200SMARTCPU最多可以支持8个PID控制回路（8个PID

指令功能块）,根据PID算法自己编程没有具体数目的限制，但是我们

需要考虑PLC的存储空间以及扫描周期等影响。

PID控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所

引起的扰动，使反馈跟随给定变化。

PID控制算法有几个关键的参数Kc（Gain，增益）Ti（积分时间

常数），Td（微分时间常数）Ts（采样时间）在S7-200SMART

中PID功能是通过PID指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）

执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例

－积分－微分数据，计算出控制量

由于PID可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工

程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识

别。S7-200SMART中的PID功能使用占调节范围的百分比的

方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围

往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。PID

功能块只接受0.0-1.0之间的实数（实际上是0%--100%）作为反馈、

给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID功能块编程，必须

保证数据在这个范围之内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积

分时间、微分时间都是实数。因此，必须把外围实际的物理量与PID

功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。这就是所谓输入/输

出的转换与标准化处理

二、PID主要参数采样时间：CPU必须按照一定的时间间隔

对反馈进行采样，才能进行PID控制的计算。采样时间就是对反馈进

行采样的间隔。短于采样时间间隔的信号变化是不能测量到的。过短

的采样时间没有必要，过长的采样间隔显然不能满足扰动变化比较快、

或者速度响应要求高的场合。增益（Gain，放大系数，比例常数）

增益与偏差（给定与反馈的差值）的乘积作为控制器输出中的比

例部分。提高响应速度，减少误差，但不能消除稳态误差，当比例作

用过大时，系统的稳定性下降。积分时间:偏差值恒定时，积分时

间决定了控制器输出的变化速率。积分时间越短，偏差得到的修正越

快。过短的积分时间有可能造成不稳定。积分时间的长度相当于在阶

跃给定下，增益为“1”的时候，输出的变化量与偏差值相等所需要的

时间，也就是输出变化到二倍于初始阶跃偏差的时间。如果将积分时

间设为最大值，则相当于没有积分作用。微分时间:偏差值发生改

变时，微分作用将增加一个尖峰到输出中，随着时间流逝减小。微分

时间越长，输出的变化越大。微分使控制对扰动的敏感度增加，也就

是偏差的变化率越大，微分控制作用越强。微分相当于对反馈变化趋

势的预测性调整。如果将微分时间设置为0就不起作用，控制器将作

为PI调节器工作。比例调节:提高响应速度，减少误差，但不能消

除稳态误差，当比例作用过大时，系统的稳定性下降。(由小到大单独

调节）